生物傳感器是在各種應用中快速檢測、實時成像和精確定量目標分子的重要工具。傳統的基因編碼生物傳感器的底物結合域通常局限于非催化蛋白質如轉錄因子、周質結合蛋白和G蛋白偶聯受體等，而在底物/效應物結合時經歷顯著構象變化的酶類蛋白質很少被考慮用于基因編碼生物傳感器的開發。目前，特定有機酸和氨基酸的精確測定通常需要借助高效液相色譜、氣相色譜以及質譜等精密儀器，并需要在專業實驗室中進行操作，這限制了其在實際應用中的通用性。尤其是在需要即時檢測(point-of-care testing，POCT)的情景下，傳統的檢測方法顯得不夠實用。因此，亟需開發一種系統性的方法來設計和生成可基因編碼的生物傳感器，以實現對有機酸及其衍生物的快速、精確檢測，并將其應用于各種實際場景。
 

　　近日，中國科學院天津工業生物技術研究所高通量編輯與篩選平臺實驗室研究員王猛帶領的科研團隊，提出了全新的設計理念并開發了相應的高通量篩選方法，將酶轉化為可基因編碼的、基于循環排列熒光蛋白(cpFP)的生物傳感器(Genetically Encoded Circularly Permuted Fluorescent Protein-based Indicators to Detect Organic Acids，GECFINDER)。
 

　　該團隊獲得了11種有機酸和氨基酸的GECFINDER，并驗證了GECFINDERs是針對有機酸和氨基酸的高靈敏度、高特異性生物傳感器，具有良好的穩定性和較高的動態范圍。該研究進行了GECFINDER應用的初步探索，發掘了基于循環排列熒光蛋白的生物傳感器在體外應用的潛力，證明了GECFINDER在復雜生物樣品中可以高效、準確地定量氨基酸濃度，有望成為針對苯丙酮尿癥(PKU)等先天性代謝疾病的POCT快速診斷工具。此外，該研究還開發了一種基于GECFINDER與液滴微流控相結合的超高通量篩選方法，并篩選了由該團隊前期開發的BETTER技術生成的核糖體結合位點突變文庫，獲得了苯丙氨酸高產菌株(苯丙氨酸產量相較于初始菌株提升了將近10倍)。
 

　　該研究將具有催化功能的蛋白應用于基于cpFP生物傳感器的開發，構建了將酶快速轉化為生物傳感器的高通量篩選方法，并探索了基于cpFP生物傳感器體外應用的方式，將基于cpFP的生物傳感器應用于精確氨基酸定量和與液滴微流控相結合的有機酸高產菌株篩選中，這為將酶作為藍圖用作生物傳感器的設計、構建和應用提供了新方向。
 

　　相關研究成果發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、合成生物學海河實驗室重大攻關類項目、中國科學院青年創新促進會和天津市合成生物技術創新能力提升行動的支持。
 

GECFINDER高通量篩選流程示意圖